專利名稱：一種估計(jì)高爐內(nèi)表面溫度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能源與動(dòng)力工程技術(shù)，特別是涉及一種估計(jì)高爐內(nèi)表面溫度的方法。
背景技術(shù)：
鋼鐵工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中最重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，涉及面廣，產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高，消費(fèi)拉動(dòng)大，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展、國(guó)防建設(shè)、財(cái) 政稅收以及穩(wěn)定就業(yè)等方面發(fā)揮著重要作用。我國(guó)是鋼鐵生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，2010年我國(guó)生鐵產(chǎn)量為59021. 8萬(wàn)噸，占全球總產(chǎn)量的57%。高爐煉鐵生產(chǎn)是鋼鐵生產(chǎn)流程上游的一個(gè)核心工序，在整個(gè)鋼鐵工業(yè)中占有不可取代的重要地位。目前全球鋼鐵行業(yè)90%以上的生鐵冶煉還是通過(guò)這一工藝實(shí)現(xiàn)的。而由于大型高爐爐內(nèi)狀況復(fù)雜，無(wú)法及時(shí)了解重大事故的產(chǎn)生機(jī)理、產(chǎn)生過(guò)程并且有效地化解。因此建立高爐內(nèi)部各參數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)可視化，是提高高爐自動(dòng)化水平，保證高爐安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵。高爐是個(gè)密閉的高溫高壓反應(yīng)器，爐溫就是高爐爐體內(nèi)的溫度，它是作為衡量高爐爐況和鐵水質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。保持良好合理的爐溫是高爐生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，是實(shí)現(xiàn)高爐長(zhǎng)壽、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗的直接保證。高爐是在高溫、高壓、密閉等嚴(yán)酷條件下的完成物理、化學(xué)和動(dòng)力學(xué)生產(chǎn)過(guò)程，是一個(gè)典型的“黑箱”容器，與其他生產(chǎn)過(guò)程相比，高爐煉鐵過(guò)程更加復(fù)雜，其機(jī)理尚未十分清楚。這就使得生產(chǎn)中爐內(nèi)溫度場(chǎng)的分布無(wú)法直接測(cè)量跟蹤。而是在停爐及拆爐后觀察爐內(nèi)狀態(tài)，再?gòu)奈锢?、化學(xué)、傳熱學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及材料學(xué)等各種不同的角度加以分析與推測(cè)，進(jìn)行比較合理地解釋。因此無(wú)法對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的高爐冶煉狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)、有效地分析和預(yù)報(bào)，也就無(wú)法更好地在理論和技術(shù)層面上提出有效維護(hù)高爐高效運(yùn)行的具體方法，而只能依靠經(jīng)驗(yàn)分析做出輪廓性判斷。但是如果不能準(zhǔn)確檢測(cè)爐溫，對(duì)爐況偏涼或偏熱就無(wú)法立即做出調(diào)控，甚至做出錯(cuò)誤的調(diào)控，從而導(dǎo)致?tīng)t況變壞。精確估計(jì)高爐內(nèi)表面溫度是得到高爐爐溫的基礎(chǔ)條件，它能夠反映出高爐內(nèi)部邊緣爐壁上的溫度分布規(guī)律及其變化，間接監(jiān)視爐內(nèi)溫度變化，及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化控制。但由于高爐內(nèi)部高溫、高壓且存在著腐蝕性的物質(zhì)，高爐內(nèi)表面溫度無(wú)法直接測(cè)量得到，只能通過(guò)間接的方法來(lái)得到。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種估計(jì)高爐內(nèi)表面溫度的方法，該方法使用高爐爐壁上能夠直接測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)以及爐壁的傳熱機(jī)理，實(shí)時(shí)、精確地獲得高爐內(nèi)表面三維溫度分布。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種估計(jì)高爐內(nèi)表面溫度的方法，該方法的步驟如下(I)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理通過(guò)熱電偶周期性地采集高爐爐壁不同深度及高度的爐壁溫度以及各段冷卻水的進(jìn)出口溫度，數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)清理，采用忽略元組的數(shù)據(jù)清理方法；
(2)建立爐壁傳熱機(jī)理模型首先對(duì)高爐爐壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，再根據(jù)傅里葉傳熱原理，在對(duì)高爐爐壁進(jìn)行描述和分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)簡(jiǎn)化假設(shè)，在柱坐標(biāo)系內(nèi)建立高爐的爐壁橫截面二維溫度分布穩(wěn)態(tài)模型；(3)獲得高爐內(nèi)表面不同高度橫截面溫度根據(jù)爐壁溫度和各段冷卻水的進(jìn)出口溫度等數(shù)據(jù)，以及第2步中得到的二維傳熱機(jī)理模型通過(guò)模糊推理方法反推出高爐內(nèi)表面不同高度橫截面上的溫度；(4)估計(jì)高爐內(nèi)表面三維溫度分布根據(jù)第3步中獲得的高爐內(nèi)表面不同高度的橫截面上二維溫度分布，沿著高爐軸向(高度方向)分段擬合溫度曲線，再將曲線組合，實(shí)現(xiàn)高爐整個(gè)內(nèi)表面三維溫度分布的估計(jì)。
本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明估計(jì)高爐內(nèi)表面溫度的方法具有實(shí)時(shí)性好，內(nèi)表面溫度分布估計(jì)精度高、偏差小，同時(shí)適應(yīng)性強(qiáng)，適用于不同材料、不同結(jié)構(gòu)的高爐等顯著優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明對(duì)于反應(yīng)爐內(nèi)溫度變化，及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化控制，保證高爐生產(chǎn)穩(wěn)定、安全運(yùn)行，提高高爐冶煉質(zhì)量具有很大的幫助，有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。


圖I是本發(fā)明采用的方法流程圖；圖2是高爐爐壁橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明使用的模糊推理估計(jì)系統(tǒng)；圖4是高爐爐壁橫截面離散模型示意圖；圖5是本發(fā)明使用的模糊推理中的輸入成員隸屬函數(shù)圖；圖6是本發(fā)明使用的模糊推理中的輸出成員隸屬函數(shù)圖；圖7是高爐軸向溫度分段擬合曲線示意圖；圖中1_熱電偶測(cè)溫點(diǎn)，2-爐壁耐火磚層，3-爐壁冷卻壁層，4-高爐整體，5-爐喉及爐身上段，6-爐身下段，7-爐腰段，8-爐腹段，9-爐缸段，10-爐喉及爐身上段軸向溫度曲線，11-爐身下段軸向溫度曲線，12-爐腰段軸向溫度曲線，13-爐腹段軸向溫度曲線，14-爐缸段軸向溫度曲線，15-高爐整體軸向溫度曲線。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。參見(jiàn)圖1，本發(fā)明估計(jì)高爐內(nèi)表面溫度的方法順序包括以下步驟(1)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理；(2)建立爐壁傳熱機(jī)理模型；(3)獲得高爐內(nèi)表面不同高度橫截面溫度；(4)估計(jì)高爐內(nèi)表面三維溫度分布。各步驟具體闡述如下一、數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理高爐內(nèi)部高溫、高壓且存在著腐蝕性的物質(zhì)，高爐內(nèi)壁大部分點(diǎn)的溫度不能直接測(cè)量，難以直接得到高爐內(nèi)表面的溫度分布。而高爐爐壁從外表面到內(nèi)表面大致分四層，分別是爐殼，填充層，冷卻壁(內(nèi)嵌多排冷卻水管道)，耐火磚。圖2是高爐的軸向上，每隔一定高度距離的高爐橫截面。這些橫截面沿著周向平均及對(duì)稱地分布著一些孔(如圖2中虛線所示)，這些孔沿著徑向能深入冷卻壁中，有的孔能深入耐火磚中，但不能直接打穿耐火磚而與爐內(nèi)部接觸。在孔中放置著一些熱電偶，且一般一個(gè)孔只有一個(gè)熱電偶，圖中的黑點(diǎn)表示著這些深入爐壁的熱電偶測(cè)溫點(diǎn)I的位置。通過(guò)熱電偶能夠測(cè)得爐壁不同深度及高度的冷卻壁和耐火磚的溫度，從而對(duì)爐壁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并可以用來(lái)判斷高爐內(nèi)部溫度變化和運(yùn)行情況。爐壁冷卻水的作用是在循環(huán)過(guò)程中帶走熱量，使高爐爐壁恒溫或降溫，起到保護(hù)爐壁的作用，而通過(guò)對(duì)于冷卻水進(jìn)出口溫度的檢測(cè)，可以分析爐壁及高爐內(nèi)部溫度分布，本發(fā)明通過(guò)在各段冷卻水的進(jìn)出口放置熱電偶來(lái)檢測(cè)各段冷卻水的進(jìn)出口溫度。因此本發(fā)明周期性的采集熱電偶測(cè)得的高爐爐壁中間不同深度及高度的爐壁溫度以及各段冷卻水的進(jìn)出口溫度的數(shù)據(jù)，通過(guò)LINK網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并通過(guò)中控室計(jì)算機(jī)進(jìn)行調(diào)用，使用這些數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)高爐內(nèi)表面的溫度分布。由于爐壁及冷卻水溫度與高
爐內(nèi)表面溫度呈正比例關(guān)系，并且這些溫度數(shù)據(jù)采樣周期短，一般為lmin，能實(shí)時(shí)反映出高爐內(nèi)表面溫度的變化，間接監(jiān)視爐內(nèi)溫度變化，及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化控制，對(duì)減少異常爐況的發(fā)生、提聞聞爐冶煉質(zhì)量有很大的幫助。考慮到高爐生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)很多因素的不確定性，通過(guò)高爐儀表采集的溫度數(shù)據(jù)有發(fā)生錯(cuò)誤或偏差的可能，這些數(shù)據(jù)會(huì)影響到高爐內(nèi)表面溫度估計(jì)的精確性，因此需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。本發(fā)明的數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)清理，采用忽略元組的數(shù)據(jù)清理方法，即刪除數(shù)據(jù)庫(kù)中有錯(cuò)誤的記錄行。二、建立爐壁傳熱機(jī)理模型參見(jiàn)圖2，高爐爐壁從外表面到內(nèi)表面大致分四層，而本發(fā)明建立傳熱機(jī)理模型主要選取爐壁冷卻水管以內(nèi)的冷卻壁3與耐火磚2的范圍。這是因?yàn)槔鋮s壁中的冷卻水通過(guò)循環(huán)流動(dòng)，使得在冷卻水側(cè)的冷卻壁能保持恒溫，因此可作為本發(fā)明建立模型所需的外部邊界條件。根據(jù)高爐的形狀，可以將高爐爐壁近似看作厚壁圓筒來(lái)分析，所以采用柱坐標(biāo)系來(lái)建立其數(shù)學(xué)傳熱模型。根據(jù)傅里葉傳熱原理，在柱坐標(biāo)系內(nèi)的熱傳導(dǎo)方程為
權(quán)利要求
1.一種估計(jì)高爐內(nèi)表面溫度的方法，其特征在于，該方法的步驟如下 (1)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理通過(guò)熱電偶周期性地采集高爐爐壁不同深度及高度的爐壁溫度以及各段冷卻水的進(jìn)出口溫度，數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)清理，采用忽略元組的數(shù)據(jù)清理方法； (2)建立爐壁傳熱機(jī)理模型首先對(duì)高爐爐壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，再根據(jù)傅里葉傳熱原理，在對(duì)高爐爐壁進(jìn)行描述和分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)簡(jiǎn)化假設(shè)，在柱坐標(biāo)系內(nèi)建立高爐的爐壁橫截面二維溫度分布穩(wěn)態(tài)模型； (3)獲得高爐內(nèi)表面不同高度橫截面溫度根據(jù)爐壁溫度和各段冷卻水的進(jìn)出口溫度等數(shù)據(jù)，以及第2步中得到的二維傳熱機(jī)理模型通過(guò)模糊推理方法反推出高爐內(nèi)表面不同高度橫截面上的溫度； (4)估計(jì)高爐內(nèi)表面三維溫度分布根據(jù)第3步中獲得的高爐內(nèi)表面不同高度的橫截面上二維溫度分布，沿著高爐軸向(高度方向)分段擬合溫度曲線，再將曲線組合，實(shí)現(xiàn)高爐整個(gè)內(nèi)表面三維溫度分布的估計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種估計(jì)高爐內(nèi)表面溫度的方法，其特征在于所述步驟2中，所建立的爐壁橫截面二維溫度分布穩(wěn)態(tài)模型如下 I 9 dT{rJ\\ I 3 ( 3Τ{γ,Θ)\ ΛΛ ^ ^ --,Ir——-——-+---------=O<r <r2,0 <θ <2π ； r dr \ dr J r d& \r d& / 其中，在計(jì)算的爐壁范圍內(nèi)，冷卻壁外表面附近溫度均勻，與冷卻水進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱，可認(rèn)為是第三類邊界條件，爐壁內(nèi)表面邊界可近似認(rèn)為是第一類邊界條件；因此模型的邊界條件如下 爐壁內(nèi)表面邊界T(r,d)=Tin(&) r = n)； 耐火磚及冷卻壁交界處邊界 ,arM) _ 嶺肩 /￡ —F — /1 · in汾 Mi 冷卻壁外表面邊界 T(^e)=TifJd) r = h ' ffr(r _ 3 V 3 f -h (T) r - r aI- KiHHtKa/ iCWf r - r2 ； ^ -T(r,0) = Τ(Γ,2π) rn<r<r2 ； 其中為高爐內(nèi)表面、冷卻壁外表面溫度為冷卻壁周圍冷卻水平均溫度，7L, 為冷卻水進(jìn)口溫度，為冷卻水出口溫度為高爐耐火磚內(nèi)表面、耐火磚與冷卻壁交界處、冷卻壁外表面的半徑；4和為分別為耐火磚和冷卻壁的導(dǎo)熱系數(shù)，其中I =為，Q Sr Ir1、/I = A2 ^<γ<^ ；kx為冷卻壁與冷卻水對(duì)流換熱系數(shù)，其取值根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到kx = 208 +47·5ν水. 上式中η力冷卻水流速。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種估計(jì)高爐內(nèi)表面溫度的方法，其特征在于所述步驟3包括以下子步驟 (3. I)給出高爐內(nèi)表面初始假設(shè)二維估計(jì)溫度分布=； (3. 2)根據(jù)第(2)步中建立的爐壁傳熱機(jī)理模型，以作為內(nèi)部邊界條件，爐壁冷卻水的進(jìn)出口平均溫度作為外部邊界條件；接著利用有限差分法對(duì)爐壁傳熱的連續(xù)機(jī)理模型以及邊界條件進(jìn)行近似離散化，并將模型轉(zhuǎn)換成矩陣方程進(jìn)行求解，得到橫截面上各熱電偶測(cè)溫點(diǎn)的計(jì)算值; (3. 3)計(jì)算各熱電偶測(cè)溫點(diǎn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值匕的偏差平方和，看是否滿足迭代精度若滿足，則停止迭代，這時(shí)的高爐內(nèi)表面估計(jì)溫度7；就是本發(fā)明所需的高爐內(nèi)表面橫截面溫度;如不滿足，則繼續(xù)； (3. 4)將％作為模糊推理的輸入，通過(guò)模糊推理，得到模糊推理的輸出&七； (3. 5)根據(jù)加權(quán)求和得到高爐內(nèi)表面估計(jì)溫度的補(bǔ)償溫度=； (3. 6)更新高爐內(nèi)表面估計(jì)溫度Ijd = ^+Δ } (/ = 1,2_況)，并返回步驟(3. 2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種估計(jì)高爐內(nèi)表面溫度的方法，其特征在于所述的估計(jì)高爐內(nèi)表面三維溫度分布，是根據(jù)高爐各部分結(jié)構(gòu)，內(nèi)部反應(yīng)以及溫度變化速率不同，將其在軸向方向上進(jìn)行分段；每段均采用三次曲線進(jìn)行擬合 (^1 ' J^) = Aj + + + 爲(wèi)‘/方 J = \,2,,.”Ν ； 其中A是自變量，表示高爐軸向高度；Aw、A/、Pxi、爲(wèi)J為待定系數(shù)，由步驟(3)中獲得的不同高度A下的高爐內(nèi)表面橫截面溫度確定為高爐各段內(nèi)表面三維溫度分布； 再將各段曲線組合，就可得到高爐內(nèi)表面三維溫度分布。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種估計(jì)高爐內(nèi)表面溫度的方法，該方法首先通過(guò)熱電偶測(cè)得爐壁溫度以及爐壁中間冷卻水的進(jìn)出口溫度，分析爐壁傳熱機(jī)理并建立二維穩(wěn)態(tài)機(jī)理模型，然后結(jié)合機(jī)理模型并通過(guò)模糊推理方法反推出高爐內(nèi)表面不同高度橫截面上的二維溫度分布，最后在高爐軸向上分段擬合溫度曲線，再將曲線組合，實(shí)現(xiàn)高爐整個(gè)內(nèi)表面三維溫度分布的精確估計(jì)；本發(fā)明具有實(shí)時(shí)性好，溫度估計(jì)精度高、偏差小，同時(shí)適應(yīng)性強(qiáng)等顯著特點(diǎn)，能及時(shí)反應(yīng)爐內(nèi)溫度變化，進(jìn)行優(yōu)化控制，保證高爐生產(chǎn)穩(wěn)定、安全運(yùn)行，提高高爐冶煉質(zhì)量，有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
文檔編號(hào)C21B5/00GK102776303SQ20121022233
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月27日
發(fā)明者吳平, 方雄, 楊春節(jié), 林舒, 滕宇, 陳毅夫, 黃龍誠(chéng) 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)